用于基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)的路由方法
【專利說明】用于基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)的路由方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明是一種應(yīng)用于基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)的路由方法，屬于量子通信和信息傳播技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]基于隱形傳態(tài)的無線量子通信網(wǎng)絡(luò)由于其具有動態(tài)的拓撲結(jié)構(gòu)和開放式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能夠構(gòu)建穩(wěn)定、可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)，使得與有線相比較，具有更廣闊的前景和更大的挑戰(zhàn)性。量子通信技術(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，將帶來一種全新的高速、安全、高容量的無線通信方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。2005年提出了在量子域內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的量子路由算法，對已建立路由后量子態(tài)的傳遞進行研宄，這是首次對將量子技術(shù)結(jié)合無線通信網(wǎng)絡(luò)問題的研宄。2006年提出了一種基于量子糾纏的無線網(wǎng)絡(luò)媒質(zhì)接入控制的模型，并提出了相應(yīng)的媒質(zhì)接入控制算法。2007年提出了基于糾纏關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)鏈路層量子通信協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了用于量子通信網(wǎng)絡(luò)的選擇重傳量子同步通信協(xié)議。2010年提出了量子廣播信道協(xié)議。同年提出了相關(guān)協(xié)議對量子通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)容量和信道編碼問題進行了研宄。2011年研宄了量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的互連和路由問題。2013年對基于隱形傳態(tài)的Adhoc量子通信網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議進行了研宄。2014年對基于部分糾纏態(tài)的分布式無線量子通信網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議進行了研宄。這些研宄為量子通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計分析奠定了基礎(chǔ)。
[0005]以上國內(nèi)外研宄現(xiàn)狀說明，無線量子通信網(wǎng)絡(luò)的研宄還處于起步階段，需要對該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、資源分配、量子信道特性、量子信息傳輸和路由協(xié)議等問題進行進一步深入研宄，為將來構(gòu)建大規(guī)模無線量子通信網(wǎng)絡(luò)提供理論依據(jù)并做好技術(shù)儲備。
[0006]在基于糾纏態(tài)的無線量子通信網(wǎng)絡(luò)中，由于需要通過量子信道傳輸量子態(tài)，同時又需要通過無線信道傳輸測量結(jié)果或處理結(jié)果，因此量子通信網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點和目的節(jié)點間需要同時存在有量子信道和經(jīng)典的無線信道。其中量子信道會隨著分發(fā)的糾纏粒子對的變化而變化，所以無線量子通信網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生改變。在無線量子通信網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議的主要作用是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，包括量子信道和無線信道的變化，為源和目的節(jié)點提供可達路徑。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種可以解決網(wǎng)絡(luò)的安全性問題，提高網(wǎng)絡(luò)容量，同時利用量子信息傳輸?shù)乃矔r性提高網(wǎng)絡(luò)性能的基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明同時提供一種能有效地監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，包括量子信道和無線信道的變化，保證了信息傳輸安全性的用于上述基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)的路由方法。 技術(shù)方案:本發(fā)明的基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)定義如下:網(wǎng)絡(luò)拓撲是骨干網(wǎng)型Mesh結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為具有無線通信功能的量子設(shè)備，相鄰節(jié)點間存在有量子信道和經(jīng)典的無線信道，節(jié)點間通過量子隱形傳態(tài)傳輸量子信息；該通信網(wǎng)絡(luò)中，任意兩節(jié)點如果存在共享的糾纏粒子對，則認為這兩個節(jié)點間存在量子信道；經(jīng)典信道作為輔助信道，主要用于轉(zhuǎn)發(fā)路由信息和量子隱形傳態(tài)的測量結(jié)果，每個骨干網(wǎng)中的無線量子節(jié)點都是一個路由器，攜帶周圍節(jié)點的路由信息，并具有自由選路功能，多個無線量子節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)主干，它們之間通過無線信道和量子信道相連，并且具有自動路由配置功能。
[0009]本發(fā)明相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，虛線表示兩節(jié)點間存在量子信道，實線表示存在經(jīng)典的無線信道。儲存有糾纏粒子的量子節(jié)點分布在這個網(wǎng)絡(luò)中。灰色陰影區(qū)域為無線Mesh骨干網(wǎng)，骨干網(wǎng)中兩個量子節(jié)點相連意味這兩個量子節(jié)點共享糾纏態(tài)。
[0010]從圖1上可以看出，A網(wǎng)和B網(wǎng)之間沒有直接的量子通路，量子信息不能直接傳送過去，但A網(wǎng)和B網(wǎng)分別和無線Mesh骨干網(wǎng)中某個無線量子節(jié)點相連。A網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點可以通過無線Mesh骨干網(wǎng)連接到B網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點?；诩m纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)的一次通信過程如下:A網(wǎng)中先把經(jīng)典信息轉(zhuǎn)化為量子信息，該量子信息通過與無線Mesh骨干網(wǎng)的量子信道傳送到骨干網(wǎng)上。骨干網(wǎng)根據(jù)路由方法選擇相應(yīng)的路徑，經(jīng)過多次隱形傳態(tài)將量子信息轉(zhuǎn)發(fā)給B網(wǎng)。
[0011]本發(fā)明用于基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)的路由方法，針對上述的基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)，包括以下步驟:
a.當(dāng)源節(jié)點(S)需要傳輸攜帶信息的量子態(tài)給目的節(jié)點(D)時，所述源節(jié)點先檢查自己的路由表中是否存在目的節(jié)點的信息，即檢查目的節(jié)點是否是其相鄰節(jié)點，如果是，即結(jié)束本路由方法流程；否則，源節(jié)點就發(fā)起一個路由發(fā)現(xiàn)過程，即通過無線信道廣播一個量子路由請求消息；
b.源節(jié)點廣播量子路由請求消息后，中間節(jié)點收到該路由請求消息，首先根據(jù)源節(jié)點地址和請求序列號檢查是否收過相同的路由請求消息，若收到過同一源節(jié)點相同的序列號路由請求消息，就丟棄本次收到的路由請求消息，否則更新路由請求消息中的上一跳節(jié)點地址為當(dāng)前節(jié)點地址，然后再廣播該路由請求信息；
c.經(jīng)過中間節(jié)點的廣播轉(zhuǎn)發(fā)，目的節(jié)點將收到來自不同相鄰節(jié)點的相同路由請求消息，目的節(jié)點接收到第一條量子路由請求后，等待一段固定的時間，收到多條相同序列號的路由請求后，忽略相同序列號的量子路由請求，然后目的節(jié)點向其所有相鄰節(jié)點廣播一個量子路由發(fā)現(xiàn)消息，該消息中包含了源節(jié)點S的地址，同時也包含了一個記錄了從源節(jié)點到目的節(jié)點的量子路徑的路由記錄域；
d.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個量子節(jié)點接收到量子路由發(fā)現(xiàn)消息以后，它將自己的地址ID加入到路由記錄域的隊尾，接著該量子節(jié)點繼續(xù)將除了路由記錄域中已記錄的量子節(jié)點和源節(jié)點的地址外、更新過的量子路由發(fā)現(xiàn)消息轉(zhuǎn)發(fā)給自己的相鄰節(jié)點，同時該量子節(jié)點檢查源節(jié)點S是否是它的相鄰節(jié)點，如果是，則該量子節(jié)點就創(chuàng)建一個量子路由確認消息并進入步驟e ;否則，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)量子路由發(fā)現(xiàn)消息給相鄰節(jié)點，所述量子路由確認消息中包含一個記錄了每條量子路徑上路由度量的路由度量域；
e.該量子節(jié)點就復(fù)制路由記錄域，將自己的地址加到路由記錄域的隊尾，更新自己與源節(jié)點之間的路由度量，將路由度量域中的其他節(jié)點置零，并通過無線信道給路由記錄域中記錄了地址ID的量子節(jié)點發(fā)送此量子路由確認消息；當(dāng)路徑中的量子節(jié)點收到量子路由確認消息后，先檢查路由度量域中上一跳節(jié)點地址與量子路由確認消息中的上一跳節(jié)點地址是否一致，并且檢查自己的地址對應(yīng)的路由度量值是否為零，如果地址不一致或者對應(yīng)的路由度量值不為零，則丟棄這個消息；否則更新該量子節(jié)點在量子路由確認消息中的路由度量值，并將量子路由確認消息中上一跳節(jié)點值設(shè)為本節(jié)點地址；
f.最后，目的節(jié)點收到量子路由確認消息后，在其路由表中添加目的節(jié)點到源節(jié)點的路由信息，從而建立從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由，完成路由發(fā)現(xiàn)過程。
[0012]進一步的，本發(fā)明方法中的路由請求消息格式如圖2所示，包括請求序列號、源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址以及上一跳節(jié)點地址，所述請求序列號用來識別不同的路由請求消息；所述步驟a中源節(jié)點每產(chǎn)生一個新的路由請求消息其請求序列號加1，并將上一跳節(jié)點地址設(shè)為源節(jié)點地址。
[0013]進一步的，本發(fā)明方法步驟c中廣播的量子路由發(fā)現(xiàn)消息格式如圖3所示，包括源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址、上一跳節(jié)點地址以及路由記錄域。
[0014]進一步的，本發(fā)明方法步驟d中的量子路由確認消息格式如圖4所示，包括源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址、上一跳節(jié)點地址以及路由度量域。
[0015]進一步的，本發(fā)明方法步驟d中，路由度量域是糾纏粒子對數(shù)、跳數(shù)和傳輸時延中的任一種。
[0016]本發(fā)明方法中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)相應(yīng)的路由度量選擇路由，節(jié)點之間通過經(jīng)典的無線信道傳遞路由信息，通過量子隱形傳態(tài)傳遞量子信息。
[0017]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
無線量子通信網(wǎng)絡(luò)的量子信道會隨著分發(fā)的糾纏粒子對的變化而變化，與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生改變。本發(fā)明將Mesh結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無線量子網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)。不僅可以解決網(wǎng)絡(luò)的安全性問題，還可以提高網(wǎng)絡(luò)容量，同時利用量子信息傳輸?shù)乃矔r性，提高網(wǎng)絡(luò)性能。本發(fā)明也提出了該網(wǎng)絡(luò)中的路由方法，該路由方法能有效地監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，包括量子信道和無線信道的變化，保證了信息傳輸?shù)陌踩浴?br>[0018]
【附圖說明】
[0019]圖1為基于糾纏態(tài)的無線Mesh量子通信網(wǎng)絡(luò)模型；
圖2為量子路由請求消息格式；